（通信与信息系统专业论文）基于sdh的数据传送新体制及混合交换技术研究.pdf

摘要 本文结合武汉邮电科学院合作研究项目“s d h 数据传送新体制及关键技术研 究”，重点研究变长分组和a t m 信元混合交换机制的设计及其仿真性能评估。 论文首先讨论现有数据传送、分组交换以及定变长分组混合交换等技术，并以项 目组提出的统一组帧协议u f p 为基础，提出一种实现变长分组和a t m 信元利用 同一交换单元进行交换的混合交换机制。论文深入研究了该混合交换机制的设 计，包括混合交换中基本交换单位、缓存机制、工作方式以及服务质量q o s 控制 方法的选择，并讨论了混合交换的组网协议栈。作者利用o p n e t 仿真工具对上 述混合交换机制进行了性能评估。仿真工作着重研究具有不同特征和功能的交换 结点的仿真模型的设计和实现，并以交换结点和终端设备模型为基础，创建了网 络仿真模型。作者根据仿真目的设计了仿真方案，运行仿真模型获得若干仿真结 果，分析仿真结果得到若干结论。论文工作为混合交换机的硬件设计和实现打下 了基础。 关键词：统一组帧协议混合交换仿真性能评估 a b s t r a c t s p o n s o r e db yt h ew u h a nr e s e a r c h i n s t i t u t eo fp o s t s & t e l e c o m m u n i c a t i o n r e s e a r c hp r o j e c tn a m e dt h er e s e a r c ho nan e wm e c h a n i s mf o rd a t at r a n s p o r to v e r s d h & i t sk e yt e c h n o l o g i e s ，a l li n t e n s i v es t u d yi sm a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o nf o rt h e d e s i g no fah y b r i ds w i t c h i n gs c h e m ea n di t sp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t had i s c u s s i o no fs o m ee x i s t i n gt e c h n i q u e s ，s u c h 嬲 m e c h a n i s m sf o rd a t at r a n s p o r t ，d i f f e r e n tm e t h o d sf o rp a c k e t s w i t c h i n g ，t h eh y b r i d s w i t c h i n go ff i x e d - a n dv a r i a b l e l e n g t hp a c k e t ，e t e b a s e do nt h eu n i f i e df r a m i n g p r o t o c o l ( u f p ) p r o p o s e db yt h ep r o j e c ts t u d yt e a m ，as c h e m ef o rs w i t c h i n gv a r i a b l e l e n g t hp a c k e ta n da t mc e l li nt h es a m es w i t c hi sp r e s e n t e d t h ei s s u e sr e l a t e dt ot h e d e s i g no ft h eh y b r i ds w i t c h i n gm e c h a n i s m ，w h i c hi n c l u d eh o wt oc h o o s et h ep r i m a r y d a t au n i tu s e di nh y b r i ds w i t c h i n g ，b u f f e r i n gm e c h a n i s m ，w o r km o d eo ft h es w i t c h i n g n o d e ，a n dm e t h o df o rq o sc o n t r o l ，a r es t u d i e di nd e t a i l t h ep r o t o c o ls t a c ku s e di nt h e h y b r i d s w i t c h i n gn e t w o r k i n gi sa l s od i s c u s s e d w i t ht h eh e l po ft h eo p n e ts i m u l a t i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ( s d k ) ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i ds w i t c h i n gs y s t e mi s e v a l u a t e d t h es i m u l a t i o nw o r kf o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs w i t c h i n g n o d e st h a th a v ed i f f e r e n tf e a t u r e sa n df u n c t i o n s o nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o nm o d e l s c r e a t e df o rs w i t c h e sa n dt e r m i n a l s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lf o rt h en e t w o r ki sc r e a t e d a p l a nf o rr u n n i n gs i m u l a t i o ni sw o r k e do u ta c c o r d i n gt ot h ep u r p o s eo ft h es i m u l a t i o n s o m ec u r v e st h a ts h o wt h ev a r i a t i o n so fd i f f e r e n tq o sp a r a m e t e r sa g a i n s tt h e l i n k u t i l i z a t i o na r eo b t a i n e db yr u n n i n gt h es i m u l a t i o np r o g r a md e v e l o p e d an u m b e ro f c o n c l u s i o n sa r ed r a w nf r o ma i la n a l y s i so nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h ew o r ki nt h e d i s s e r t a t i o nl a i daf i r mf o u n d a t i o nf o rt h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e h y b r i ds w i t c h i n gs y s t e m k e y w o r d ：u n i f i e df r a m i n gp r o t o c o lh y b r i ds w i t c h i n g s i m u l a t i o n p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在三年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 2 0 世纪8 0 年代以来，s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ，同步数字体系同步光网络) 一直是光纤上的主要 传送技术。s d h s o n e t 用同步传送模块s t m ( s y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d e ) 和 虚支路传送固定比特率用户数据，也可用于a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ， 异步转移模式) 、i p ( i n t e r n e tp r o t o c o l ，网际协议) 和帧中继等面向分组的可变 速率业务。目前s d h s o n e t 接口速率从5 1 m b s 到1 0 g b s 不等。 传统s d h s o n e t 设备如分插复用器等适合传输话音业务。当s d h s o n e t 用于数据业务传送时，由于其传送通道具有严格速率等级，无法兼容以太网等数 据应用的速率，再加上缺乏通用适配机制，无法实现用户数据流到s d h s o n e t 通道的有效映射，导致s d h s o n e t 上的数据传输效率低下。如利用s t m 1 ( 1 5 5 5 2 m b s ) 传送10 0 m b s 以太网，传输效率仅为6 4 3 。随着互联网和其他 分组交换技术的发展，数据应用呈爆炸式增长。数据业务传送带给电信运营商的 利润越来越多，如何充分利用现有s d h s o n e t 基础设施实现高效数据传送成为 运营商最关心的问题。i f 是在上述背景下，s d h s o n e t 上的数据传送体制逐渐 成为研究重点，许多相关技术不断提出。 p o s ( p a c k e to v e rs d h s o n e t ) 是最早提出的s d h 数据传送体制之一。i p 分组通过p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l ，点到点协议) h d l c ( h i g h 1 e v e ld a t a l i n kc o n t r o l ，高级数据链路控制) 方式成帧，然后放入s d h s o n e t 有效载荷 中。类似h d l c 的成帧机制都利用特殊字符区分不同协议数据单元之间的边界， 需要转义字符以实现透明传输。当传输速率较高时( 1 0 g b s 和4 0 g b s ) ，这种机 制实现较困难。 异步转移模式a t m 可实现具有严格q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量) 需 求的多媒体业务在s d h 上传送。用户业务通过不同a t m 适配层封装为a t m 信 元，最后映射到s d h s o n e t 传送通道。a t m 用于数据传送存在所谓信元税的问 题，要额外消耗约1 0 的带宽。 除p o s 和a t m 外，关于在s d h 上传送数据业务还有许多新技术提出。朗讯 公司于1 9 9 9 年提出的s d l ( s i m p l ed a t a 。l i n k ，简单数据链路) 是一种适用于高 速光传送通道的成帧协议。s d l 采用类似于a t m 的帧定界方法，利用控制标头 中的帧长和长度校验字段区分各变长数据帧。s d l 高速传输时( o c 1 9 2 c 及以 上) 扩展性好，传输开销固定，可用于o t n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，光传送 网) 、s d h s o n e t 和w d m ( w a v e - l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，波分复用) 等 2 基于s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 数据网络。但s d l 目前尚未得到标准化支持。 最早由p m c 、t r a n s w i t c h 等公司提出的g f p ( g e n e r i cf r a m i n gp r o c e d u r e ，通 用成帧规程) 是一种业务适配协议，可将物理层或逻辑链路层信号映射到字节同 步传输信道。g f p 采用类似s d l 的帧定界方式，用帧映射和透明映射实现数据分 组和数据块在s d h 和o t n 上传送。g f p 目前已成为i t u t ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟) g 7 0 4 1 标准，它和虚级联以及链路容 量调整机制l c a s ( l i n kc a p a c i t ya d j u s t m e ms c h e m e ) 构成下一代s d h s o n e t 技术的基础。 n e c 公司在2 0 0 0 年提出的u d l ( u n i v e r s a ld a t al i n k ，通用数据链路) 是一 种用于下一代s d h s o n e t 的数据传送技术。u d l 最大特点是可实现u d l 协议 数据单元与a t m 信元在s d h 上混合传送，利用不同假想标头来区别不同协议数 据单元的边界。主要缺陷是a t m 信元与u d l 区分机制实现较复杂，且未考虑与 g f p 等现有技术兼容。 国内武汉邮电科学研究院于1 9 9 8 年提出i p 在s d h 上传送的l a p s ( l i n k a c c e s sp r o c e d u r ef o rs d h ) ，将原h d l c 帧中的地址字节定义为服务接入点标识 符s a p i ( s e r v i c ea c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r ) ，2 0 0 0 年3 月被批准为i t u t x 8 5 1 y 1 3 2 1 标准；2 0 0 1 年2 月提出将l a p s 应用于e o s ( e t h e m e to v e rs d h ) ， 提案获得批准，成为i t u tx 8 6 标准。l a p s 协议的工作方式类似于h d l c ，也 存在高速传输时实现复杂、效率不高的问题。 上述技术都可实现数据业务在s d h s o n e t 或o t n 上传送，但都存在一些 缺点。p o s 、a t m 、s d l 等技术在将数据业务映射到s d h s o n e t 传送通道时， s d h s o n e t 的同一个v c 八，t ( v i r t u a lc o n t a i n e r v i r t u a lt r i b u t a r y ，虚容器虚支 路) 中仅能传送a t m 信元、i p 分组或t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分复 用) 业务中的一种，导致s d h s o n e t 或裸光纤电缆的传送效率较低。其他技术 如u d l 等，即使能够实现变长分组和a t m 信元混合传送，其现有研究也主要集 中在链路层的数据传输方面，没有对传送过程的另一个重要方面，即如何利用同 一交换结点实现两种协议数据单元的混合交换进行研究。 综上所述，通过分析与总结现有数据业务传送机制和a 1 m 、i p 等交换技术 的优缺点，结合武汉邮电科学研究院合作研究项目“s d h 数拂：传送莉f 体制及关键 技术研究”，我们尝试提出一种新的数据传送体制，实现变长分组利a i m 信冗 在同一个v c t 中混合传送，以提高s d h s o n e t 或裸光纤电缆的传送效率。 在上述数据传送新体制的基础上，作者着重研究一种混合交换机制，该交换机制 应综合现有a t m 和i p 交换技术的特点，可实现利用同一交换设备完成变长分组 和a t m 信元的交换。 在研究新的业务传送和混合交换机制过程中，我们力求所提出的新技术能最 第一章绪论 3 大程度与a t m 兼容。考虑到a t m 是一种综合电路交换和分组交换优点的信元交 换和复用技术，其固有的异步特性使它比传统同步传送方式具有更多优势。a t m 技术本身非常完善，在市场上却未能取得成功，主要是因为它过于复杂，相应设 备价格较高。尽管应用范围有限，但由于能够实现有序可靠传输和高速交换， a t m 并没有完全消亡。目前a t m 技术在高速骨干网的某些应用中占有重要地 位，第三代移动通信的第一阶段也以a t m 为基础，再加上具有完善的q o s 控制 机制，a t m 在对可靠性和服务质量要求较高的网络( 如军事网) 中，也得到广泛 应用。 1 2 论文主要内容 本文主要内容安排如下： 第一章简要分析基于s d h 的数据传送机制及a t m 、i p 等交换技术的发展现 状和存在问题，阐述论文的研究背景及意义，并说明论文主要内容； 第二章对论文相关技术背景进行介绍。重点介绍a t m 交换和i p 分组交换的 工作过程和交换机结构形式，对现有2 3 层交换和多层交换，w e b 交换，定变长 分组混合交换等技术也进行了介绍。 第三章提出变长分组和定长a t m 信元混合交换机制。重点研究混合交换机 制的设计，包括如何选择混合交换中的基本数据单位、缓存方式、q o s 控制方 法、交换结点工作方式等，并给出混合交换的组网协议栈。 第四章对混合交换机制仿真设计过程中所实现的网络模型、结点模型、进程 模型、分组模型、链路模型，以及函数原型进行概要介绍。 第五章研究业务终端结点模型的设计与实现，对视频、话音和数据终端的结 点模型，以及及实现模型功能的进程模型进行了详细介绍。 第六章研究交换结点模型的设计与实现，洋细介绍了、诤i l 交换结点模型以及 实现结点模型功能的进程模，型的结构和操作过群。 第七章给出运行仿真程序所得结果，对不同：f i 作力式、分段j 齿、刁i 同缓存 方式以及不同终端数目情况下的仿真结果进行对比分析。 基 ：s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 第二章数据传送与交换技术 2 1 现有数据传送技术简介 p o s 足鳅i l 捉的搽j is i n i 的f 送数据体制之一。p o s 技术f 1i j i 有两个标 准，种是i e f f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，因特网工程任务组) r f c2 6 1 5 ( r e q u e s tf o rc o m m e n t ) 中定义的i p 分组通过p p p h d l c 成帧方式映射到 s d h s o n e t ，另一种是通过i t u tx 8 5 y 1 3 2 l 提出的l a p s 协议将i p 分组映射 到s d h s o n e t 。 在r f c2 6 1 5 中，p p p 采用类h d l c 方式成帧，可提供有效的分组定界和差 错控制功能。p o s 帧以字节流形式映射到s d h s o n e t 有效载荷中，字节边界与 s d h s o n e t 载荷区边界对齐。为提供足够透明性和防止安全威胁，在将字节流 插入s d h s o n e t 载荷区之前还可有选择的进行加扰处理。i t u tx 8 5 脱1 3 2 1 利 用l a p s 完成分组到s d h s o n e t 的映射。i p 分组或其他协议数据单元首先利用 l a p s 成帧，随后映射到s d h 的v c 中。l a p s 的帧格式和p p p h d l c 类似【3 】。 e o s 是另一种基于s d h s o n e t 的数据传送体制。目前有两种协议可实现 e o s 。i t u tx 8 6 y 1 3 2 3 中利用l a p s 实现以太网帧到s d h s o n e t 的映射。 l a p s 帧利用服务接入点标识符s a p i 指示载荷类型，对于以太网m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 帧s a p i 取值为0 x f e 0 1 。为防止恶意用户攻击，所有数据在插入 s d h 载荷之日订要利用x 4 3 + 1 自同步扰码器加扰。与h d l c 类似，l a p s 也需要转 义字符以实现透明传输，如果以太网帧中包含过多0 x 7 d 和0 x 7 e 会造成链路性能 下降。i t u tg 7 0 4 l 中定义的g f p 是另一种可用于e o s 技术的协议。g f p 的优点 之一是不需要转义字符，链路性能只与其上承载的载荷长度有关，不会受到载荷 内容的影响。 g f p 是目前得到广泛认可的业务适配技术，可实现i p p p p 、以太网m a c 帧、光纤通道、e s c o n ( e m e r p r i s es y s t e mc o n n e c t i o n ，企业系统连接) 等数据 业务在s d h s o n e t 网络中传送。g f p 可将基于帧的数据适配到面向字节的数据 流上，比传统封装方式有更好的检错纠错性能，并可提供更高的带宽效率。 g f p 帧包括核心标头、载荷标头、实际载荷和可选纠错字段。核心标头定义 g f p 帧长并检测c r c 错误；载荷标头规定所承载信息的类型；用户载荷信息用 于承载实际数据；可选的f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ，帧校验序列) 用于检错 和纠错。g f p 目日仃定义了两种用户信号适配模式：帧映射g f p ( g f p t ) 将用户 数据帧映射到一个完整g f p 帧中：透明映射g f p ( g f p f ) 则将用户信号的块码 f 映射到周! l j j 现f f ，jg f p 帧f _ f i 。t 仆使用哪种模式取决于所传送业务，目前可使用 第二章数据传送与交换技术 5 g f p f 的用户信号有以太网和光纤通道，可使用g f p t 的用户信号包括以太网、 光纤通道和e s c o n 等。g f p f 映射业务所需开销最小，可实现最大带宽利用 率；g f p t 映射则可快速高效传送数掘。 a t m 最初是i t u t 为b i s d n ( b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k ，宽带综合业务数字网) 标准提出的支撑技术，川于在公匕刚络上承载 话音、视频和数据业务。a t m 论坛对i t u t 的没想进行扩充，可将a j m 用于公 共和专有网络。 a t m 是一种信元交换和复用技术，它综合了电路交换( 带宽可保证，时延固 定) 和分组交换( 灵活有效处理突发业务) 的特点。其主要优点为：( 1 ) 采用 固定长度短信元作为信息传输单位，有利于宽带高速交换；( 2 ) 可支持各种不 同速率业务；( 3 ) 所有信息在最低层以面向连接方式传送，保持了电路交换适 于传送实时性较强的业务的特点；( 4 ) 由于光纤信道误码率极低且容量很大， a t m 网不必在数据链路层进行差错控制和流量控制，可显著提高信息传送效率。 2 2a t m 交换技术 2 2 1a t m 交换概述 a t m 是一种面向连接的技术，在传送a t m 信元之前要建立端到端连接。 a t m 交换根据信元5 字节标头中的v p i ( v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r ，虚通道标识符) 和v c i ( v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r ，虚通路标识符) 进行，其中虚通道由若干个虚 通路构成。v p i v c i 决定一条端到端连接，其值仅在两个交换结点之| 日j 的链路中 有意义，在每个交换机中都可能发生改变。根据查找路由信息表的结果，可能将 输入链路上的v p i v c i 替换为输出端口的v p i v c i 。 a t m 信元交换过程可简述如下。每个a t m 交换机都有自己的路由信息表， 其中至少包括以下字段：输入端口号和输入v p i v c i ，输出端口号和输出 v p i v c i ，可选的优先级字段。到达交换机输入端口的a t m 信元被分成5 字节标 头和4 8 字节有效载荷。交换机将标头中包含的输入v p i v c i 作为旧v p i v c i ，根 据输入端口号查找路由信息表以确定该信元的输出端口号和输出v p i v c i 。如果 发现匹配项，则用输出v p i v c i 替换输入v p i v c i 。在将信元发剑交换机构之 前，将输出端口和优先级信息与该信元相关联。优先级字段允许交换机根据服务 要求，有选择的将某些信元发到输出端口，或在缓冲区已满时将其丢弃。 a t m 连接有永久虚连接和交换虚连接两种形式。交换虚连接的路l 臼信息表在 连接建立阶段由呼叫处理器更新。呼叫处理器负责在源宿端点之削寻找一条传输 路径，确定该路径上所有链路的v p i v c i 值、交换机输出端口地址以及优先级字 段，并将其填入交换机路由信息表。呼叫处理器要保旺来自f ：同连接化发往同 6基于s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 输出端口的信元具有不同v p i v c i 值。当某个连接中止时，呼叫处理器负责从路 由信息表中删除与该连接相关的表项。实践中，每个a t m 交换机都有一个呼叫 处理器。 2 2 2a t m 交换机基本结构 典型a t m 交换机系统模型如图2 1 所示，由输入端1 2 1 控制器i p c ( i n p u tp o r t c o n t r o l l e r ) 、交换机构及输出端1 2 1 控制器o p c ( o u t p u tp o r tc o n t r o l l e r ) 组成。实 际交换机中i p c 和o p c 常位于同一印制板上，构成线路接口卡l i c ( l i n e i n t e r f a c ec a r d ) ，同一l i c 上可能有多个i p c 和o p c 。中间的交换机构将i p c 和 o p c 互相连接起来。i p c 终结一条输入线，提取信元标头以完成路由处理，信元 有效载荷暂存在f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先入先出) 缓存中。从交换机构出来的 信元存入f i f o 缓存，在写入缓存之前要去掉路由和优先级等相关信息。信元随 后映射到s d h 帧中，后者通过电光转换器转换为光信号。 i i 匝h i 交换机构 厂而f b a ) 交换机系统模型 输出地址 h v p i v c i 新v p i v c i输出端口地址 b ) 输入控制器i p c 来自变换机构 j c ) 输出控制器0 p c 图2 1a t m 交换机系统模型 络 每个时隙o p c 最多只能将一个信元发到传输线上。由于a t m 网络中信元随 机到达，当多个信元要发往同一输出端口时形成输出端口竞争。发生竞争时只能 第二章数据传送与交换技术 7 有一个信元发送出去，其余信元必须丢弃或缓存。缓冲器的位置对交换机性能、 实现复杂度以及竞争消除机制的选择都有影响。 信元通过交换机构有两种方法：自路由和标记路由。在自路由方式下，信元 进入交换机构之前由输入接口为其添加输出端口地址字段，其作用是帮助信元到 达目的输出端口。交换单元的每一级考查输出端口地址的一个比特，若该比特为 0 ，则信元通过交换单元上部输出端口输出，若该比特为1 ，则信元被发送到交换 单元下部输出端口。信元到达目的输出端口后删除输出端口地址字段。 在标记路由方式下，交换模块利用信元标头的v p i v c i 字段决定信元的输出 链路。每个交换模块都有一个v p u v c i 表，根据该表中给出的v p i v c i 和输入输 出链路之间的映射关系将信元转发到输出链路上。与自路由方式不同，标记路由 不要求各级交换单元以特定方式互连，可用于交换单元以任意方式连接的场合。 a t m 交换机有多个输入端口和输出端口，每个端口都与其他交换机端口或 a t m 终端相连。a t m 终端可以是个人电脑、工作站或其他具有a t m 网卡的设 备。连接a t m 交换机或终端的物理层可以是s d h s o n e t ( 如o c 一3 c 、o c 1 2 c 、 o c 4 8 或o c 一19 2 ) 或t 1 e 1 等。物理层信号到达交换机或终端后先被终结，随后 提取信元进行查表、缓存、交换等处理。源端点不同的信元到达交换机输入端 口，根据其标头中携带的标记交换到不同输出端口，可能还要与其他信元流混 合，然后映射到物理层传输帧中。由于来自不同输入端口的多个信元可能竞争同 一输出端口，在某些信元被发到输出端口时其他信元可能需要缓存起来。a t m 交 换机两个手要功能就是将a t m 信元发往适当输出端口及缓存竞争失败的信元。 a t m 交换机除具有路由功能外，还应能消除输出端口竞争。目前已出现多种 竞争消除力。法。一种方法是允许发往同一输出端口的多个信元同时到达输出端 【：l ，由j 二刷一时间、1 - 1 能有一个信元通过输出链路发送，其他信元将缓存在输出端 口。具有这种结构的交换机称“输出缓存 交换机。这种机制的代价是交换机构 和输出端 i 内存的二 作速度必须为线速的n 倍。随着线速提高或交换机端口数目 增加，这种机制将存在瓶颈。另一方面，如果不允许目的端口相同的多个信元同 时到达输出j 端口，则应采取某种调度机制对要发往同一输出端口的信元进行仲 裁。这种调度机制称“仲裁机制”。竞争失败的信元缓存在输入端口。具有这种 结构的交换机称“输入缓存”交换机。 除了对信元进行调度以满足输出端口的时延吞吐量要求，输入或输出端口缓 冲区管理也是一个重要问题。缓冲区管理的主要功能是在缓冲区已满或超过预定 门限时丢弃信元或分组，以满足不同连接的信元丢弃率或公平性要求。有关丢弃 策略的研究很多。有些方法是丢弃已保存在缓冲区中的信元或分组，这种方法较 为复杂。更为简单的方法是在缓冲区占有率超过某些门限时，禁止新来的信元或 分组进入缓冲区。 8 基于s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 2 3i p 分组交换技术 网际协议i p 对应于o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，丌发系统互联) 参考 模型第三层，与面向连接的a t m 不同，i p 是无连接协议，用户不需建立任何连 接即可向网络发送分组。分组到达i p 路由器后，路由器根据分组开销中的i p 地 址，确定并将其转发到适当的输出端口。 2 3 1i p 路由器基本功能 i p 路由器通常由以下几部分构成：与网络连接的接口、处理模块、缓存模 块、内部互连单元或交换机构。分组从输入接口到达，由处理模块进行处理，并 可能存储在缓存模块中。分组通过交换机构转移到输出接口，输出接口再将其转 发给通往最终目的地的下一跳结点。 路由器背板 a ) 基本结构b ) 路由部分 图2 2i p 路由器基本结构 i p 路由器通用结构如图2 2 所示，其中2 2 ( a ) 为典型的路山器链小结构， 4i 托! 制卡( 其中包含c p u ) 、路由器背板以及接口卡组成。路由器中的c p u 负责完 成通道计算、路由表维护、可达性传播等功能。c p u 运行路由器所需路由协议。 接口卡由适配器构成，用于实现输入和输出分组转发，也可用于缓存路由表，或 具有其他分组处理功能。路由器背板负责在各个卡之间转移分组。i p 路由器基本 功能可分为路由处理、分组转发及路由器特殊服务。路由处理和分组转发是其中 最关键的两个功能。 路由处理功能利用r i p ( r o u t ei n f o r m a t i o np r o t o c o l ，路由信息协议) 或 o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，开放最短路径优先) 等路由协议获知并创建刚络 拓扑结构视图，建立并维护路由表。路由表更新也可通过管理操作实现人工加入 或删除路由。 分组转发功能包括以下几方面：( 1 ) i p 分组确认：进行处理之前，检查收 第二章数据传送与交换技术 9 到的分组是否具有协议规定的格式，包括检查版本号和标头长度字段( 还需确定 分组中是否存在某些可选部分) 及计算标头校验和。( 2 ) 目的i p 地址解析和查 表：路m 器以分组目的i p 地址和子网掩码为基础，查表确定应将分组转发到哪个 输出端口以及分组的下一跳地址。路由器还负责将目的网络地址映射为数据链路 地址。( 3 ) 分组寿命控制：路由器调整分组的t t l ( t i m et ol i v e ，生存时间) 字段以防止分组在网络中无限循环。( 4 ) 计算校验和：由于t t l 字段取值的变 化，必须重新计算i p 标头校验和。为适应输出网络接口的最大传输单元的要求， i p 分红【可能j 爵婴进 j ：分段。分段可能对性能造成不良影响。 除核一巴、路 功能外的其他功能都属于特殊服务，包括分组转换，封装，业务 优先级，认证，接入服务及网络管理等。 2 3 2i p 路由器结构 第代i p 路由器在通用c p u 基础上用软件实现。这类路由器由通用处理 器、多个接口卡以及连接它们的共享总线组成，如图2 3 所示。到达接口的分组 被转发到c p u ，c p u 决定其下一跳结点地址，并将其转发到适当输出接口。数据 通常缓存在中央内存中，导致数据两次通过总线，形成系统的主要瓶颈。分组处 理和结点管理软件( 如路由协议操作，路由表维护，路由表查找，其他控制和管 理协议等) 都在中央处理器上实现。 i 路由处理器i陵内存，溺 工一一一一一一一一一一j ? 工：一一一一一一一一1 工i - - - - ? 一一一一j工 l 型u ：! 坠! 坠 线卡!线卡 线卡 厂丽 ：厂研厂研 总线 图2 3 传统基于总线的路由器结构 上述结构性能较差，主要原因一是中央处理器必须处理所有通过和发给路由 器的分组，形成严重的处理瓶颈：二是分组处理需要大量内存操作( 如查表) ， 由于内存访问速度限制，即使采用高速c p u ，路由表查找和数据移动操作所需时 间仍可能较长；三是将分组从一个接口转移到另一个接口所需时间经常超过分组 标头处理时间，很多情况下i o 总线成为限制路由器速度的主要原因。 由于路由表查找是分组转发过程中比较费时的操作，一些传统基于软件的路 由器将“i p 目的地址下一跳地址 映射关系缓存在单独的数据库中，在查找路由 之前先参考该数据库。传统基于总线的路由器依赖于共享总线的吞吐量和c p u 的 转发速度，随着网卡速度的提升，这种结构将无法满足要求。 第二代i p 路由器对共享总线结构路由器进行改善，引入分布式分组转发功 l o 基于s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 能。各接口除接收和发送缓冲区外，还增加了快速处理器和路由高速缓存，可减 少系统总线上的负载量。分组只在共享总线上传输一次，可减少总线复制的数 量。通过将常见地址保存在高速缓存中可加快分组转发速度。图2 4 所示为上述 t 结构的简单示意图。 线 卡 图2 4 带有接口处理器和路由高速缓存的共享总线结构 在这种结构中，路由器维护中央主路由表，各接门处理器利j j 商述缓 ，维护 表项较少的常用路由表。如果在接口高速缓存中找不到所需路径，”f 到1 1 1l 火路 表中查找。接口中高速缓存路由表的建立是业务驱动的，当发往某个目的地址的 第一个分组利用中央路由表完成转发后，就在接口的高速缓存路由表中增加一个 表项。发往同一地址的后续分组可直接利用高速缓存路由表完成转发。高速缓存 中的路由表要定期更新以确保其有效，网络拓扑结构发生变化时将立即失效。这 种结构主要缺陷是吞吐量与业务相关，且共享总线仍是一个瓶颈。 在另一种基于总线的多处理器结构中，将多个转发引擎并行连接起来以获得 较高的分组处理速率，如图2 5 所示。接口以线速从链路上接收分组。分组进入 后，控制电路首先取出i p 标头，加上识别标记，发到转发引擎以进行确认和路 由。转发引擎完成路由功能的同时，分组的其他部分存放在输入缓存中。转发引 擎决定分组的输出链路，并将更新过的标头字段和标记信息发给适当接口模块。 随后分组从输入接口缓存转移到输出接口缓存，最后通过输出链路发送出去。 控制总线 转发引擎列总线 数据总线 图2 5 带并行转发引擎的基于总线的路由器结构 在这种结构中，只将分组标头发给转发引擎以完成下一跳地址解析，可避免 第二章数据传送与交换技术 1 1 在总线上不必要地传输分组。此外分组有效载荷总是直接在接口模块之间转移， 不会进入转发引擎或路由控制器，除非分组的目的地是该路由器本身。 为缓解第二代路由器的瓶颈，第三代路由器利用交换机构( s w i t c h i n g f a b r i c ) 代替共享总线。使用交换机构可为接口间的分组传输提供足够带宽，吞 吐量可提高几个数量级。在这种结构中，系统瓶颈从各接口i b j 的互连单元( 交换 机构) 转移到分组处理上。 图2 6 所示多g 比特路由器m g r ( m u l t ig i g a b i tr o u t e r ) 是这种结构的一个 例子，其中包含带有高速缓存的专用i p 分组转发引擎。m g r 包括若干线卡和转 发引擎卡，线卡和转发引擎卡都连接到高速交换机构上。这种设计将转发引擎和 线卡在硬件上分开。分组到达线卡时，标头被提取出来并通过交换机构传递到转 发引擎。分组的剩余部分仍停留在输入线卡上。转发引擎渎墩标头，确定如何转 发分组并对标头进行更新，然后将更新过的标头和转发指示j 区l , i _ l 给输入线卡。输 入线卡收到新标头后将其与分组剩余部分组装起来，将完整的分组发给输出线 卡。m g r 中也有控制和路由处理器，用于提供基本的管理功能如为转发引擎生 成路由表，链路故障恢复管理等。 路山处j 甲器 j 1 线卡h o 转发引擎一_ j - l 线卡| h叫转发引擎 - i 线卡| hh | 转发引擎1 交换机构 图2 6 带转发引擎的基丁交换机构的路由器结构 2 42 3 层交换和多层交换技术 2 4 12 层交换 2 层交换工作在o s i 参考模型的数据链路层。2 层交换机又称m a c 交换机或 数据链路中继，它考查数据帧的目的m a c 地址并以此为依据转发数据帧。如果 2 层交换机知道数据帧目的地址，它直接将该帧转发到相应接口上，否则将该帧 广播到除该帧输入端口外的其他端口上，以便获知该帧的萨确目的地址。 2 层交换有以下几个优点：( 1 ) 2 层交换机为每个端口都提供了专用带宽， 每个端口代表一个网段，对应个用户。由于用户可完全占有相应端口带宽，不 必和其他用户共享，因而可获得最优性能。( 2 ) 2 层交换机可将各端口组织为逻 1 2 基于s d h 的数据传送新体制及混合交换技术研究 辑工作组，称虚拟局域网v l a n ( v i r t u a ll a n ) 。各v l a n 逻辑上彼此独立，可 将2 层广播业务限制在特定的v l a n 中。网络设计者可利用v l a n 构建大规模2 层网络，同时也可限制2 层广捅城的功能。此外在网络中移动、添加或改变站点 将更容易，因为用j 、赳按j 所在v l a n 而不是物理位置组织的。( 3 ) 通过在某 些2 层交换机上进行服务等级区分，网络管理员可以根据协议、i p 地址等为不同 局域网、1 p 务类型赋予不同优先级。业务被划分为不同等级后，可进入相应优先级 的队列或被瘩。恻2 省：理员l i j 。撒机；防议、应用或用户等控制业务流，以保证有 效利川网络资源。( 4 ) 2 层交换机以网络登录技术为基础，提供了基于用户的稳 健的安全机制，可防上i ：未经授权的用厂1 接入网络。 2 4 23 层交换 3 层交换机和路山器在分组处理、分组转发、路由处理以及设备管理等方面 基于相同的工业标准。两者的主要区别是3 层交换机利用基于a s i c 的硬件来加 速分组处理和转发功能，同时又利用通用微处理器完成路由处理和管理功能，如 创建和维